Abstract CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) is a revolutionary technology for genome editing. Its derived technologies such as CRISPR activation (CRISPRa) and CRISPR interference (CRISPRi) further allow transcriptional and epigenetic modulations. Focused ultrasound (FUS) can penetrate deep in biological tissues and induce mild hyperthermia in a confined region to activate heat-sensitive genes. Here we engineer a set of CRISPR(a/i) tools containing heat-sensitive genetic modules controllable by FUS for the regulation of genome and epigenome in live cells and animals. We demonstrated the capabilities of FUS-inducible CRISPRa, CRISPRi, and CRISPR (FUS-CRISPR(a/i)) to upregulate, repress, and knockout exogenous and/or endogenous genes, respectively, in different cell types. We further targeted FUS-CRISPR to telomeres in tumor cells to induce telomere disruption, inhibiting tumor growth and enhancing tumor susceptibility to killing by chimeric antigen receptor (CAR)-T cells. FUS-CRISPR-mediated telomere disruption for tumor priming combined with CAR-T therapy demonstrated synergistic therapeutic effects in xenograft mouse models. The FUS-CRISPR(a/i) toolbox allows the remote, noninvasive, and spatiotemporal control of genomic and epigenomic reprogramming in vivo, with extended applications in cancer treatment.

Chimeric antigen receptor (CAR)-T cell therapy has made remarkable breakthroughs in treating cancers, especially hematologic malignancies, yet its broader application in cancer treatment is hindered by multiple challenges. Meanwhile, the development of Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR) and its derived technologies has provided unprecedentedly efficient tools for genomic and cellular reprogramming, offering potential advantages for developing CAR-T cell therapy. There is hence a rapidly increasing interest in applying CRISPR to engineer CAR-T cells. Here, we present a review of recent research utilizing CRISPR to boost CAR-T cell therapy by enhancing its safety or effectiveness. We first provide an overview of CAR-T cell therapy and CRISPR technology, followed by discussions on how CRISPR and its related technologies can be adopted to tackle various issues associated with CAR-T cell therapy, either via knockout/knockin of specific genes or CRISPR-based screening. We also summarize clinical trials involving CRISPR-edited CAR-T cells. Lastly, we address the potential risks of applying CRISPR in CAR-T cell engineering.

Optogenetics can control specific molecular events in living systems, but the penetration depth of light is typically limited at hundreds of micrometers. Focused ultrasound (FUS), on the other hand, can deliver energy safely and noninvasively into tissues at depths of centimeters. Here we have developed an acoustogenetic approach using short-pulsed FUS to remotely and directly control the genetics and cellular functions of engineered mammalian cells for therapeutic purposes. We applied this acoustogenetic approach to control chimeric antigen receptor (CAR) T cells with high spatiotemporal precision, aiming to mitigate the potentially lethal "on-target off-tumor" effects of CAR T cell therapy. We first verified the controllability of our acoustogenetic CAR T cells in recognizing and killing tumor cells in vitro, and then applied this approach in vivo to suppress tumor growth of both lymphoma and prostate cancers. The results indicate that FUS-based acoustogenetics can allow the noninvasive and remote activation, without any exogenous cofactor, of different types of CAR T cells for cancer therapeutics.